JP4171855B2

JP4171855B2 - 電池

Info

Publication number: JP4171855B2
Application number: JP22336499A
Authority: JP
Inventors: 武義野阪; 宏行福留; 健次河野; 泰造原田
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2019-08-06
Also published as: JP2001052660A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器の電源に使用される電池の構造に関するものであり、長期信頼性に優れた電池を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エレクトロニクス分野の発展に伴い電子機器の小型化がめざましい。特に携帯電話やＰＨＳなどの携帯機器類や小型パーソナルコンピュータの需要拡大は著しく、これらの機器類の軽薄短小化に伴い、電源となる電池においても高機能化に加えて小型化・薄形化が求められている。しかし、これらの機器に従来使用されてきた電池は、金属電槽缶を用いた円筒形や角形が中心であった。
【０００３】
そこで、薄形化、軽量化という点において、外装フィルムとしてアルミラミネートフィルムのような軟包装材を用いた電池の技術が過去に提案されている（特開昭５５−３５４６９号公報等）。また、発電要素として軽量であるリチウム電池、リチウムイオン電池が注目されてきており、これをアルミラミネートフィルムで包装するタイプの電池についても既に提案されている（特開昭６２−５５８６５号公報等）。
【０００４】
図１、図２は、それぞれ従来の軟包装材を外装フィルムとして用いた電池の平面図と封止部の断面図である。１は金属樹脂複合材の外装フィルムであり、１ａ、１ａ’は、保護層となるポリエステルフィルムである。１ｂ、１ｂ’は基材となる金属箔であり、一般にはアルミニウム箔が用いられる。また、１ｃ、１ｃ’は接着層であるシーラントを示し、これには熱溶着性を有するポリプロピレンフィルムを用いている。電池周辺の封止部は、図２に示すように外装フィルム１の接着層であるポリプロピレンを熱溶着して封止してある。
【０００５】
発電要素は、正極集電体（アルミニウム箔）４上に担持されているＬｉＣｏＯ₂（活物質）、アセチレンブラック（導電材）とポリフッ化ビニリデン（バインダー樹脂）で構成される正極合材５と、負極集電体（銅）８上に担持されている人造黒鉛（活物質）、アセチレンブラック（導電材）とポリフッ化ビニリデン（バインダー）で構成される負極合材７がゲル電解質６を挟んで対向している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような非水電解質電池は、水分が入ると水素ガスが発生し、電池が膨張する。このため、正極合材５とゲル電解質セパレータ６との界面、負極合材７とセパレータ６の界面の接触が悪くなり、内部抵抗が増加し、充放電性能が悪化する。さらに、電池内の電解液が減少した場合も、イオンの移動が抑制され、内部抵抗の増加を引き起こす。従来から使用されている金属電装缶では溶接などにより封止が行われるため、封止が完全な場合には水分の侵入や、電解液の揮発について問題とはならなかった。しかし、金属樹脂複合材のような軟包装材を用いた非水電解質電池では、封止部の樹脂層に水分、電解液の吸収透過性があるため、封口の際これらの性状に十分配慮した材料の選定や設計を行わなければ水分浸入や電解液の揮発の問題を解決するのは難しい。
【０００７】
これらの問題を解決するには、封止部からの水分の侵入、電解液の透出を抑制する必要がある。具体的には、封止巾を広くする、あるいは封止部の厚さを薄くし、水分、電解液の透過を抑制することが効果的である。しかし、封止部の巾を広げると、体積容量密度、重量容量密度が低下するため、封止部の巾を広げるのは好ましくない。また、封止部のシーラント層の厚さを薄くする場合には、図１のような電池形状の場合、端子の取り出し部が外装フィルムの封止部と重なる構造であるため、基材となる金属層と接触し、絶縁不良となる可能性が高くなる。この問題を回避するためには通常の封止方法では端子厚さ以上の樹脂層厚さが必要となり、それ以下の厚さでショート発生を抑制して封止することは困難であった。
【０００８】
また、電池周辺部の封止を熱溶着により行うと、外装フィルムの金属と樹脂部の熱膨張係数が異なり、しわが発生しやすい。しわのある部分と無い部分では封止部の接着強度が異なり封止部の均一性が損なわれてしまう上、極端な場合には封止できないといった問題も起こりうる。さらに、仮に封止できていたとしても、極端なしわの場合には、基材である金属部分に亀裂が発生し、その部分から水分、電解液が透過し前述と同様の問題が起こる。
【０００９】
水分侵入の抑制方法として、封止部にすじ状の凹凸を設ける方法が過去に提案されている（特開昭６１−２９０６５号公報）。しかし、この方法では、凹凸が筋状に入っているため、封止部の接着強度が凹部と凸部で異なり、封止部の接着強度の均一性を保つことは出来ない。
【００１０】
また、外装フィルムが平面状のまま外装フィルムに発電要素を挟んで封止すると、封止部やその他の箇所に、しわ、亀裂等が発生し、水分の侵入、電解液の揮発が増大し、前述と同様の問題が発生する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決し、品質上の高信頼性を達成するため、正極、負極及びセパレータからなる発電要素が、金属樹脂複合材である外装フィルムに接着封止されて成る電池であって、該電池の封止部をエンボス加工したことを特徴とする電池である。また、エンボス加工により形成した凹部の形状が、円形、楕円形または多角形である電池である。また、前記外装フィルムの少なくとも一面が絞り成形され、そこに発電要素をはめ込み封止したことを特徴とする電池である。
【００１２】
即ち、金属樹脂積層材の外装フィルムを用いた電池の封止部に、格子状あるいは斑点状の凹凸をつけること、即ちエンボス加工することで、水分、電解液の透過を抑え、サイクル寿命、保存寿命を改善するものである。さらに、発電要素が収まるよう、外装フィルムに成型を行うことで、極群を内包する際、シール部に発生する物理的長さの違いによる歪みを無くし、封止部の接着強度の安定、品質に悪影響を与え得るしわ等の外観形状上の問題の解決を図り、先の改善効果をさらに高めることが可能となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の詳細について実施例により説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１４】
（実施例１）
正極、ゲル電解質セパレータ６（アクリレート修飾を施したポリエチレンオキサイド２０重量部に対しエチレンカーボネート／γ―ブチロラクトン＝２／３の混合溶液に２．４Ｍの四フッ化ホウ酸リチウムを溶解した電解液を８０重量部加えて混合した溶液をポリプロピレン不織布に含浸し、電子線硬化によりゲル化したセパレータ）及び負極とを積層した発電要素９を図４に示すように絞り成型した外装フィルム１に入れ、平板状の外装フィルム１で蓋をし、四方を熱溶着により封止した。封止部には図３のように、エンボス加工を行うことにより、凹部の形状が円形または楕円形である形状の凹凸部を設けている。また、シール部の強度を均一、安定にするためには図のようにシール巾に対して凹部が２個以上有ることが望ましい。２はアルミニウム製の正極端子、３はニッケル製の負極端子である。
【００１５】
（実施例２）
封止部に、図５のようにエンボス加工を行うことにより、凹部の形状が三角形、四角形、五角形等の多角形である形状の凹凸部を設けていること以外は実施例１と同様にして電池を作製した。また、シール部の強度を均一、安定にするためには図のようにシール巾に対して凹部が２以上有ることが望ましい。
【００１６】
実際の発電要素について、以下のような物質、材料が使用可能である。
【００１７】
正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＶＯ₅等のＬｉ含有遷移金属酸化物やスルフィド等が利用可能であるが、高電位を持つものであれば特にこれらに限定されるものではない。
【００１８】
負極活物質としては、黒鉛質カーボン、Ｌｉ金属、Ｌｉ合金、難黒鉛化炭素、低温焼成カーボン等が利用可能であるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１９】
電解質としては、封止部が電解液によって汚染されると、封止部の強度の均一、安定性の保持が困難であるため、封止部が汚染される可能性の低い非水電解液を保持させたゲル電解質、あるいはリチウムイオン伝導性の固体電解質の使用が望ましい。具体的には、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンをベースポリマーとし、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、プロピオン酸メチルなどのエーテル、エステル類などを単独あるいは２種類以上の混合溶媒とし、これに、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆などの電解質を単独あるいは２種類以上溶解させた非水電解液を保持させたゲル電解質、あるいはリチウムイオン伝導性の固体電解質の使用が可能である。また、封止部の汚染の恐れがないのであれば、前記電解液と液保持性の無いセパレータ（ポリプロピレン、ポリエチレン等の微多孔膜、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル等の不織布等）の組み合わせを用いたものも使用可能である。
【００２０】
外装材の構成としては、アルミ箔などの金属箔や、金属蒸着層が樹脂層に挟まれたラミネート材を用いることが好ましいが、樹脂層を押し出しによりコーティングした複合材等の利用も可能である。具体的な材質としては、外側の樹脂層には、保護層として強度の高いポリエチレンテレフタレートやナイロンを用いることが好ましく、内側のシーラント材としてはラミネート材の基材となるアルミニウムや端子金属との接着性の良い酸変性ポリオレフィン、アイオノマー、エチレン―酢酸ビニル共重合体、エチレン―アクリル酸共重合体のような金属接着性樹脂を用いることが好ましい。しかし、端子との接続部分に金属接着層を設けるのであれば、ポリプロピレン、ポリエチレン等を用いることも可能である。基材となる金属層は、性能、価格の点からアルミニウムが最も良いと考えられる。中でも、成型を施す場合には展性、延性に優れた合金箔を使用することが好ましいが、特にこれに限定されるものではない。
【００２１】
（比較例１）
絞り成形を行った外装フィルムを用い、封止部をエンボス加工せずに平面になるように溶着した以外は実施例と同様にして電池を作製した。
【００２２】
（比較例２）
成型を施していない平板状の外装フィルムを用い、封止部をエンボス加工して斑点状の凹凸になるように形成して溶着した以外は実施例と同様にして電池を作製した。
【００２３】
（比較例３）
成型を施していない平板状の外装フィルムを用い、封止部をエンボス加工せずに平面となるように溶着した以外は実施例と同様にして電池を作製した。
【００２４】
【発明の効果】
実施例１、２及び比較例１〜３の電池をそれぞれ５個作製し、外観検査と放置試験を行った。
【００２５】
外観検査は電池作製後、目視により、大きなしわ等がないかを確認した。さらに、封止部、しわ部の顕微鏡観察を行い、亀裂等が発生していないかの確認を行った。
【００２６】
放置試験では、まず、充電電流０．２ＣｍＡの定電流で４．１Ｖまで充電し、４．１Ｖに達したところで電池電圧が４．１Ｖを保持するように定電圧で充電を行い、全充電時間が８時間になったところで充電を中止した。１時間休止した後、放電終止電圧を２．７Ｖとして、０．２ＣｍＡで定電流放電した。この操作を３サイクル繰り返した後、再度充電し、電圧が４．０Ｖ以上であることを確認した後、内部抵抗を測定した、４０℃９５％の恒温槽にて４週間放置し、放置後の内部抵抗を測定し増加率を比較した。
【００２７】
これら試験結果を表１に示した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
実施例１、実施例２は、共に均一な凹凸が封止部に認められ、しわなどの発生が認められなかった。また、絞り成形を施していたため、封止部以外の箇所にもしわは認められなかった。内部抵抗の増加は比較例よりも低い値であった。封止部の強度も安定しており、十分な強度が得られた。
【００３０】
比較例１では、封止部に小じわがあり外観上の問題があった。また、内部抵抗の増加量が放置前と比較して２．５倍大きくなった。これは水分の透過するシーラント層の厚さが実施例１、２に比較して厚いため、水分の透過量が多くなり内部抵抗が増加したと考えられる。しわ部分の接着強度としわでない部分の接着強度を比較した結果、しわ部分の強度が低くなっており、強度もばらつきが多くなり、強度の均一性に問題があるものと考えられた。これは、接着層の厚さがしわ部分とそうでない部分とで異なるため強度に違いが出たと考えられる。
【００３１】
比較例２の電池では、封止部以外の場所に極端なしわの入った電池が含まれており、外観上の問題があった。また、このような電池の中に、極端に内部抵抗の増加した電池が含まれていた。その電池のしわ部分を顕微鏡で観察すると、肉眼では観察できない程度のひびが入っており、この部分から水分が電池に侵入し、内部抵抗が上昇したと考えられる。封止部の接着強度、特に均一性は、大きなしわ部を除けば問題とはならなかったが、大きなしわの所は、強度が極端に弱くなっていた。
【００３２】
比較例３の電池では、全ての電池に大きなしわが発生し、全体的に実施例１、２より内部抵抗の上昇が大きい。これらの理由は前述の原因が複合していると考えられる。
【００３３】
これらの結果より、本発明によれば、金属樹脂複合材を外装フィルムに用いた電池において、水分侵入、電解液の透過に関する問題を解決し、長期信頼性に優れた電池を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来電池の平面図である。
【図２】従来電池の断面図である。
【図３】本発明電池の平面図と一部拡大図である。
【図４】本発明電池の外観図である。
【図５】本発明電池の平面図と一部拡大図である。
【符号の説明】
１外装フィルム
９発電要素

Claims

正極、負極及びセパレータからなる発電要素が、金属樹脂複合材である外装フィルムに接着封止されて成る電池であって、前記外装フィルムの少なくとも一面が絞り成形され、そこに発電要素がはめ込まれ、該電池の封止部は、格子状あるいは斑点状の凹凸がシール巾に対して２個以上有るエンボス加工がされていることを特徴とする電池。
エンボス加工により形成した凹部の形状が、円形、楕円形または多角形である請求項１記載の電池。
前記電池は、非水電解質電池である請求項１又は２記載の電池。